§ 5. Роль неорганічних речовин в життєдіяльності організмів
Вам уже відомо, що всі хімічні речовини поділяють на органічні та неорганічні. Загальний вміст неорганічних речовин (крім води) у різних клітинах варіює в межах від одного до декількох відсотків. Серед неорганічних речовин важливу роль у забезпеченні функціонування окремих клітин і цілісних організмів відіграють вода, неорганічні кислоти, луги та солі.
• Солі неорганічних кислот усередині живих організмів розчинені у воді (у вигляді йонів) або перебувають у твердому стані (наприклад, солі Кальцію та Фосфору у складі скелета людини та більшості хребетних тварин) (мал. 5.1).
Йони утворені катіонами металічних елементів (Калію, Натрію, Кальцію, Магнію тощо) та аніонами неорганічних кислот (Cl – , HSO4 – , SO 2 4 – , НСО3 – , Н2РО4 – , НРО 2 4 – та ін.).
Різна концентрація йонів Na + і К + поза клітинами та всередині них приводить до виникнення різниці електричних потенціалів на мембранах, які оточують клітини. Це забезпечує транспорт речовин через мембрани, а також передачу нервових імпульсів. До складу багатьох ферментів входять йони Са 2+ і Mg 2+ , які забезпечують їхню активність. Присутність у плазмі крові йонів Са 2+ – необхідна умова зсідання крові. За нестачі солей Кальцію порушується робота серцевого та скелетних м’язів (зокрема, виникають судоми).
Мал. 5.1. Солі Кальцію входять до складу: 1 – черепашок форамініфер; 2 – колоній коралових поліпів; 3 – черепашок молюсків; 4 – внутрішнього скелета хребетних тварин
Сталий уміст натрій хлориду (0,9 %) у плазмі крові – необхідна складова підтримання гомеостазу нашого організму. Розчин натрій хлориду такої концентрації ще називають фізіологічним. Його використовують при ін’єкціях певних ліків або вводять за незначних крововтрат (пригадайте, з якою метою).
Щодоби до організму людини має надходити 12-15 г кухонної солі (NaCl). Всмоктування солей починається ще в шлунку, а завершується в кишечнику. Рецептори, розташовані у стінках кровоносних судин і тканинах, здатні визначати концентрацію солей. Імпульси від цих рецепторів надходять до гіпоталамуса, який, у свою чергу, регулює діяльність залоз внутрішньої секреції. Залежно від вмісту солей в організмі під впливом нейрогуморальної регуляції змінюється їхній вміст у сечі.
Через порушення обміну речовин солі можуть відкладатися у суглобах, що спричиняє важкі захворювання – остеохондроз та подагру, за яких спотворюються суглоби кінцівок, втрачається гнучкість хребта, розвиваються напади болю в нирках. Ці захворювання можуть призвести до зменшення рухомості та втрати працездатності. Щоб їх уникнути, необхідно вести активний спосіб життя, не зловживати м’ясними та жирними стравами, сіллю та іншими приправами, відмовитися від алкоголю.
У порожнинах органів або їхніх вивідних проток можуть формуватися щільні утворення – «камені». Найчастіше вони утворюються в нирках, жовчному міхурі, ниркових мисках і сечовому міхурі при відкладанні там кальцієвих солей органічних (сечова та щавлева) або неорганічних (карбонатної чи ортофосфатної) кислот. Унаслідок розвивається сечокам’яна хвороба – камені, поступово збільшуючись, спочатку викликають болі в поперековій ділянці, а потім, просуваючись через сечовивідні шляхи, – напади дуже сильного болю. Інколи камені закупорюють сечоводи і тоді, аби врятувати життя хворого, застосовують хірургічне втручання.
Важливі функції виконують в організмі і неорганічні кислоти. Ми вже згадували, хлоридна кислота створює кисле середовище в шлунку хребетних тварин і людини, забезпечуючи активність ферментів шлункового соку. У людей, в шлунку яких хлоридної кислоти виробляється недостатня кількість, порушуються процеси перетравлення білків, можливе розмноження у шлунку великої кількості шкідливих бактерій тощо. Збільшення секреції хлоридної кислоти також небезпечне для організму людини, зокрема воно спричиняє печію.
Залишки сульфатної кислоти, приєднуючись до нерозчинних у воді сполук, забезпечують їхню розчинність. Це сприяє виведенню таких речовин у розчиненому стані з клітин і організму. Ортофосфатна кислота необхідна для синтезу АТФ (є універсальним накопичувачем енергії в клітині) та різних типів нуклеїнових кислот.
• Кислотно-лужний баланс. Внутрішнє середовище людини має певне співвідношення позитивних і негативних йонів – кислотно-лужний баланс. У разі його порушення можуть виникати важкі захворювання. Зокрема, при підвищенні вмісту позитивних йонів організм погано засвоює Кальцій, Натрій, Калій, а при зростанні вмісту негативних – повільніше засвоюється їжа, що негативно впливає на функції печінки і нирок, виникають алергічні стани, загострюються хронічні захворювання тощо.
• Екологічні захворювання. Не всі сполуки, які надходять в організми з водою та їжею, корисні для них. Наприклад, для організму людини небезпечне надходження солей важких металів (Плюмбуму, Хрому тощо) та радіонуклідів. Багато важких металів міститься у транспортних викидах. Тому обабіч великих автомобільних трас не слід збирати гриби, бо вони здатні накопичувати у своєму тілі ці речовини, а також радіонукліди. Ці сполуки можуть відіграти роль канцерогенних, тобто таких, що сприяють утворенню в організмі доброякісних та злоякісних пухлин, призводять до надмірного розмноження клітин крові: лейкоцитів (лейкози), рідше – еритроцитів (еритроцитози). Потрапивши в організм вагітної жінки, радіонукліди можуть зумовити вади розвитку зародка.
Для організму людини та тварин небезпечні радіоактивні ізотопи багатьох хімічних елементів: Йоду, Цезію, Стронцію, Урану та ін. Потрапляючи в організми, Стронцій-90 може відкладатись у кістках, заступаючи Кальцій. Унаслідок цього кістки стають ламкими. Ізотоп Йоду порушує функції щитоподібної залози. Значні концентрації радіонуклідів здатні накопичувати рослини. З рослинною їжею вони згодом потрапляють в організми тварин і людини.
Унаслідок аварії на ЧАЕС радіонуклідами забруднено понад 8,4 млн га земель, серед них 3,5 млн га орних. Якщо врахувати забрудненість ґрунтів України також важкими металами та отрутохімікатами (пестицидами), то нині в незадовільному стані перебуває близько 20 % території нашої країни. Найвищий рівень забрудненості ґрунтів важкими металами зафіксовано в Донецькій і Закарпатській областях. Так, у Донецькій області це пов’язано з діяльністю промислових підприємств і гірничодобувних шахт, а в Закарпатській – неодноразовими аваріями на гірничодобувних підприємствах Румунії, внаслідок чого значна кількість важких металів потрапила у р. Тису і під час її розливу – на сільськогосподарські угіддя.
Слід зазначити, що навколо великих промислових підприємств радіус забруднення токсичними речовинами становить від 1 до 20 км і їхня концентрація може перевищувати гранично допустиму в 5-10 разів. Істотним чинником забруднення ґрунтів є викиди вихлопних газів транспортом. Уміст Плюмбуму в ґрунті навіть на відстані 50 км від траси може перевищувати допустимий у 3-4 рази.
Високий вміст нітратів в їжі та воді шкідливий для організму людини. Тому за вмістом нітратів, наприклад в овочах, має здійснюватися постійний контроль. Існують спеціальні норми вмісту нітратів та інших шкідливих сполук у продуктах харчування та воді. Згідно з ними визначені так звані гранично допустимі концентрації (ГДК). Якщо вміст шкідливих речовин у воді чи продуктах харчування перевищує показники ГДК, то такі продукти і воду мають вилучати з продажу і вжитку.
Забруднення атмосфери спричиняють викиди шкідливих для здоров’я людини й інших організмів відходів промислових підприємств, вихлопних газів автомобільного транспорту (сполук Сульфуру, Нітрогену, чадного газу СО, важких металів тощо). Підприємства будівельної і вугільної промисловості (цементні та гіпсові заводи, відкриті вугільні кар’єри тощо) є джерелами забруднення атмосфери пилом.
Особливу небезпеку для довкілля становлять кислотні дощі, спричинені забрудненням атмосфери сірчистим газом SO2 (промислові підприємства та автотранспорт викидають в атмосферу понад 160 млн тонн сірчистого газу щорік) та оксидами Нитрогену (N2O, N2O3 і NO2). При з’єднанні з водою атмосфери ці речовини утворюють сильні неорганічні кислоти. На великих територіях промислово розвинених країн зареєстровано опади, кислотність яких перевищує нормальну від 10 до 1000 разів. Від кислотних дощів руйнуються екосистеми прісних водойм, гинуть ліси (мал. 5.2), знижується врожайність ґрунтів.
Мал. 5.2. Промислові об’єкти викидають в атмосферу сірчистий газ (1); наслідком цього є кислотні дощі, які знищують ліси (2)
Під керівництвом Міжнародного союзу охорони природи та природних ресурсів (МСОП) нині розроблено стратегічні принципи побудови екологічно стабільного суспільства, які погоджено з урядами більшості країн світу. Однією з умов побудови такого суспільства є чітке обмеження (квотування) промислових викидів країнами світу. При цьому країни, які не повністю використовують свої квоти (це стосується, зокрема, України), можуть продавати невикористану частину квоти іншим. Отримані кошти використовують для впровадження методик, спрямованих на поліпшення стану довкілля.
Коротко про головне
- Загальний вміст неорганічних речовин (крім води) у клітинах різних типів варіює в межах від одного до декількох відсотків. Серед цих сполук важливу роль у забезпеченні нормального функціонування окремих клітин і цілісних організмів відіграють кислоти, луги та солі.
Запитання для самоконтролю
1. Які неорганічні сполуки входять до складу живих організмів? 2. Яка роль неорганічних сполук у забезпеченні функціонування організмів? 3. Як радіонукліди впливають на живі організми?
Поміркуйте
Під час Чорнобильської катастрофи 1986 року дітям і дорослим з постраждалих територій давали препарати, що містили сполуки Йоду. З якою метою це робили?
Кислоти. Класифікація кислот. Хімічні властивості
Слова ” кислота” і ” кислий ” не дарма мають спільний корінь. Розчини всіх кислот на смак кислі. Це не означає, що розчин будь кислоти можна пробувати на мову – серед них зустрічаються дуже їдкі і навіть отруйні. Але такі кислоти як оцтова (міститься в столовому оцті), яблучна, лимонна, аскорбінова (вітамін С), щавлева і деякі інші (ці кислоти містяться в рослинах) знайомі вам саме своїм кислим смаком.
У цьому параграфі ми розглянемо тільки найважливіші неорганічні кислоти, тобто такі, які не синтезуються живими організмами, але грають велику роль в хімії та хімічній промисловості.
Усі кислоти, незалежно від їх походження, об’єднує загальна властивість – вони містять реакційноздатні атоми водню. У зв’язку з цим кислотам можна дати таке визначення:
Кислота – це складна речовина, в молекулі якого є один або кілька атомів водню і кислотний залишок.
Розглянемо найважливіші хімічні властивості кислот.
Дія кислот на індикатори. Дія розчинів кислот на індикатори. Практично всі кислоти (крім кремнієвої) добре розчиняються у воді. Розчини кислот у воді змінюють забарвлення спеціальних речовин – індикаторів. За забарвленням індикаторів визначають присутність кислоти. Індикатор лакмус забарвлюється розчинами кислот в червоний колір, індикатор метиловий оранжевий – теж у червоний колір.
Індикатори являють собою речовини складної будови. У розчинах підстав і в нейтральних розчинах вони мають інше забарвлення, ніж у розчинах кислот. Про індикатори ми більш детально розповімо в наступному параграфі на прикладі їх реакцій з основами.
2. Взаємодія кислот з основами. Ця реакція, як ви вже знаєте, називається реакцією нейтралізації. Кислота реагують з основою з утворенням солі, в якій завжди в незмінному вигляді виявляється кислотний залишок. Другим продуктом реакції нейтралізації обов’язково є вода. Для реакцій нейтралізації достатньо, щоб хоча б одне з реагуючих речовин було розчинно у воді. Оскільки практично всі кислоти розчинні у воді, вони вступають у реакції нейтралізації не тільки з розчинними, а й з нерозчинними основами. Винятком є кремнієва кислота, яка погано розчинна у воді і тому може реагувати тільки з розчинними підставами – такими як NaOH і KOH:
H2SiO3 + 2 NaOH = Na2SiO3 + 2H2O
Взаємодія кислот з металами. Як ми бачимо з попереднього прикладу, для взаємодії кислот з металом повинні виконуватися деякі умови (на відміну від реакцій кислот з підставами і основними оксидами, які йдуть практично завжди).
По-перше, метал повинен бути досить активним (реакционноспособним) по відношенню до кислот. Наприклад, золото, срібло, мідь, ртуть і деякі інші метали з виділенням водню з кислотами не реагують. Такі метали як натрій, кальцій, цинк – навпаки – реагують дуже активно з виділенням газоподібного водню та великої кількості тепла.